專利名稱：紫色土坡耕地污染物遷移轉(zhuǎn)化過(guò)程模擬裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及對(duì)紫色土坡耕地污染方面的研究，具體涉及一種紫色土坡耕地污染物遷移轉(zhuǎn)化過(guò)程模擬裝置，屬于土壤養(yǎng)分流失、土壤侵蝕和面源污染控制領(lǐng)域。
技術(shù)背景
紫色土是一種寶貴的農(nóng)業(yè)土壤資源。三峽庫(kù)區(qū)總耕地面積中約有80%為紫色土， 且以坡耕地為主。通常認(rèn)為坡耕地的污染物或養(yǎng)分主要通過(guò)降雨時(shí)隨地表徑流流失，而近年來(lái)的研究表明，在有下墊面或不透水層的坡耕地，壤中流也是土壤養(yǎng)分流失的主要途徑之一。紫色土由紫色頁(yè)巖發(fā)育而成，具有土層淺薄、孔隙度大，土壤-紫色泥頁(yè)巖界面滲透性弱等特點(diǎn)?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果表明紫色土坡耕地壤中流流量遠(yuǎn)高于地表徑流，占全年總徑流的73%，壤中流對(duì)氮素流失的貢獻(xiàn)為88%，而泥沙的貢獻(xiàn)為8%，地表徑流的貢獻(xiàn)為4% ;壤中流對(duì)磷素流失的貢獻(xiàn)為8%，地表徑流的貢獻(xiàn)為14%，泥沙的貢獻(xiàn)為78%。由此可見(jiàn)，研究紫色土坡耕地污染物隨壤中流的流失規(guī)律具有重要的意義。
目前，土壤侵蝕以及養(yǎng)分或污染物流失的實(shí)驗(yàn)研究方法主要有室外原位田塊、徑流小區(qū)人工降雨或天然降雨實(shí)驗(yàn)；室內(nèi)土柱淋溶實(shí)驗(yàn)和室內(nèi)人工降雨土槽實(shí)驗(yàn)。
室外原位田塊或徑流小區(qū)實(shí)驗(yàn)一般用邊梗將田塊或徑流小區(qū)隔離，以防止降雨時(shí)田塊或徑流小區(qū)以外的徑流流入。與室內(nèi)實(shí)驗(yàn)相比，室外原位實(shí)驗(yàn)避免因土壤搬動(dòng)而導(dǎo)致的與實(shí)際情況不完全一致的情況發(fā)生，但由于實(shí)驗(yàn)條件不能人為控制而難以獲得具有普遍意義的結(jié)果，以及進(jìn)行不同情況的對(duì)比。人工模擬降雨實(shí)驗(yàn)與天然降雨實(shí)驗(yàn)相比，克服了降雨的不可控，有助于對(duì)不同雨量、雨強(qiáng)、降雨歷時(shí)等因素影響作用的研究與分析。室外原位田塊或徑流小區(qū)實(shí)驗(yàn)由于邊梗的作用，無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)坡上地表來(lái)流、以及坡上地表來(lái)流與降雨徑流兩水文過(guò)程耦合作用對(duì)坡耕地土壤侵蝕以及養(yǎng)分或污染物流失的研究。
室內(nèi)土柱淋溶實(shí)驗(yàn)，通常采用蠕動(dòng)泵向土柱頂部注水來(lái)模擬降雨，研究壤中流的垂向一維運(yùn)動(dòng)和養(yǎng)分或污染物沿垂向的遷移。土柱淋溶裝置無(wú)法研究有下墊面或不透水層的坡耕地中壤中流以及養(yǎng)分或污染物流失沿坡向的流動(dòng)。
室內(nèi)人工降雨土槽實(shí)驗(yàn)雖然可以研究坡耕地的地表徑流和壤中流，但現(xiàn)有的裝置及方法，主要針對(duì)黃土、紅壤土等無(wú)下墊面或下墊面透水的坡耕地，而針對(duì)有滲透性極弱的下墊面或不透水層的紫色土坡耕地的養(yǎng)分及污染物隨地表徑流和壤中流流失過(guò)程的裝置和方法鮮見(jiàn)報(bào)道。此外，現(xiàn)有的有關(guān)的裝置及其方法，基本上沒(méi)有考慮降雨時(shí)坡上地表來(lái)流與降雨-徑流的耦合對(duì)養(yǎng)分及污染物流失的影響，也未涉及研究降雨和坡上來(lái)流兩水文過(guò)程耦合作用下，紫色土坡耕地地表徑流和壤中流養(yǎng)分與污染物遷移轉(zhuǎn)化的過(guò)程
發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有坡耕地養(yǎng)分流失及水土侵蝕研究中各因素(降雨、坡上來(lái)流、坡度等)難以綜合有效控制、定量分析的不足，本發(fā)明的目的提供一種模擬不同水文過(guò)程下養(yǎng)分和污染物在紫色土坡耕地遷移轉(zhuǎn)化的裝置，本裝置能夠模擬降雨產(chǎn)生的地表徑流、坡上地表來(lái)流、以及它們兩者的耦合對(duì)有極弱透水層的紫色土坡耕地養(yǎng)分及污染物隨地表徑流和壤中流的流失和流失過(guò)程。
本發(fā)明實(shí)現(xiàn)上述目的的技術(shù)解決方案如下紫色土坡耕地污染物遷移轉(zhuǎn)化過(guò)程模擬裝置，它包括填裝有紫色土的土槽、人工降雨裝置和坡上地表來(lái)流模擬裝置；土槽由底板和四周圍板構(gòu)成，土槽傾斜放置使前端高、末端低；坡上地表來(lái)流模擬裝置包括水源、蠕動(dòng)泵和溢流水箱，溢流水箱位于土槽前端，紫色土填裝高度與溢流水箱出水口高度一致，由蠕動(dòng)泵向溢流水箱供水使溢流水箱形成溢水模擬坡上地表來(lái)流；人工降雨裝置包括水源、輸水管和將水送到輸水管的水泵，輸水管有部分通過(guò)支撐架懸空布置在土槽上端，輸水管上設(shè)有若干噴頭，噴頭相對(duì)土槽表面均勻布置；在土槽末端分別設(shè)有地表徑流流量測(cè)量設(shè)備、地表徑流取樣口、壤中流流量測(cè)量設(shè)備、壤中流取樣口 ；在紫色土側(cè)面沿徑流方向也分別設(shè)有若干地表徑流取樣口和壤中流取樣口。所有取樣口和紫色土之間設(shè)有過(guò)濾用濾網(wǎng)。
為了模擬不同的紫色土坡耕地坡度，在土槽底板下設(shè)有傾角調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，傾角調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)包括固定支座和千斤頂，固定支座通過(guò)轉(zhuǎn)軸連接在土槽底板一端，千斤頂頂在土槽底板另一端。通過(guò)啟動(dòng)千斤頂，即可改變土槽傾角，即模擬不同的紫色土坡耕地坡度。
在土槽底板上設(shè)有I個(gè)直徑3cm排水口，使得該裝置底部能達(dá)到極弱透水效果，排水口和紫色土之間設(shè)有過(guò)濾用濾網(wǎng)。
所述支撐輸水管的支撐架高度可調(diào)，以達(dá)到模擬天然降雨條件以及降雨的均勻度。
所述輸水管上設(shè)有流量計(jì)以控制降雨強(qiáng)度，在土槽中間放置雨量筒來(lái)測(cè)定降雨強(qiáng)度。
本裝置可模擬的水文過(guò)程包括降雨、坡上來(lái)流、以及降雨和坡上來(lái)流的耦合，通過(guò)調(diào)節(jié)各因素，研究多種水文過(guò)程對(duì)紫色土坡耕地污染物遷移轉(zhuǎn)化的時(shí)空分布特性，用于揭示紫色土坡耕地地表徑流和壤中流與污染物遷移轉(zhuǎn)化相互作用的機(jī)制。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下有益效果I、將降雨裝置、徑流水箱和土槽相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了在不同降雨條件(降雨強(qiáng)度、降雨歷時(shí)、 降雨的滴濺效應(yīng))下，降雨地表徑流、坡上地表來(lái)流以及兩者耦合的水文情景的模擬。將地表徑流和壤中流流量和污染物濃度分別測(cè)量，實(shí)現(xiàn)了降雨地表徑流、坡上地表來(lái)流以及兩者耦合的水文過(guò)程下養(yǎng)分和污染物隨地表徑流和壤中流遷移規(guī)律的研究。
2、通過(guò)將土槽底部設(shè)為極弱的透水層，實(shí)現(xiàn)了降雨時(shí)紫色土坡耕地水文過(guò)程的模擬。通過(guò)底部固定支座的活動(dòng)轉(zhuǎn)軸、底側(cè)的千斤頂控制坡耕地坡度，能方便地模擬和研究不同坡度下坡耕地土壤養(yǎng)分及污染物遷移轉(zhuǎn)化的研究。
3、土槽側(cè)面沿程設(shè)有地表徑流取樣口和壤中流取樣口，實(shí)現(xiàn)了降雨地表徑流、坡上地表來(lái)流以及兩者耦合的水文過(guò)程下紫色土坡耕地地表徑流、壤中流和污染物沿程遷移過(guò)程的定量分析。


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具體實(shí)施方式
本發(fā)明的目的是為了更深入的研究紫色土坡耕地土壤養(yǎng)分遷移轉(zhuǎn)化的時(shí)空分布 規(guī)律，研究降雨徑流、坡上地表來(lái)流、以及它們的耦合對(duì)紫色土坡耕地養(yǎng)分及污染物隨地表 徑流和壤中流的流失和流失過(guò)程的影響，揭示紫色土坡耕地地表徑流和壤中流與養(yǎng)分遷移 轉(zhuǎn)化相互作用的機(jī)制，解決坡耕地養(yǎng)分流失及水土侵蝕中各因素(降雨、坡度等)難以綜合 有效控制、定量分析的問(wèn)題，而發(fā)明的一種模擬不同水文過(guò)程下養(yǎng)分和污染物在紫色土坡 耕地遷移轉(zhuǎn)化的裝置。
本發(fā)明的紫色土坡耕地污染物遷移轉(zhuǎn)化過(guò)程模擬裝置，參見(jiàn)圖1和圖2，它包括填 裝有紫色土的土槽I、人工降雨裝置和坡上地表來(lái)流模擬裝置。土槽I由底板和四周圍板 構(gòu)成，土槽傾斜放置使前端高、末端低。土槽用硬PVC板制得，PVC板厚2cm，外面用角鋼包 裹。土槽中的紫色土既可以來(lái)自天然土壤，也可以取自實(shí)驗(yàn)室，分別由上層的土壤層2、中間 層的泥巖3和底層的砂巖4構(gòu)成。為了模擬不同的紫色土坡耕地坡度，在土槽底板下設(shè)有 傾角調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，傾角調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)包括固定支座5和千斤頂6,固定支座5通過(guò)轉(zhuǎn)軸7連接在土 槽I底板一端，固定支座同時(shí)用螺栓固定在地面上，千斤頂6頂在土槽I底板另一端。通過(guò) 調(diào)節(jié)千斤頂上升或下降的高度，即可改變土槽傾角，即模擬不同的紫色土坡耕地坡度。本發(fā) 明坡度調(diào)節(jié)范圍在5° 45°之間，完全能滿足三峽庫(kù)區(qū)紫色土坡耕地不同坡度的研究。
坡上地表來(lái)流模擬裝置包括水源、蠕動(dòng)泵8和溢流水箱9，溢流水箱9位于土槽I 前端，溢流水箱出水口高度與紫色土填裝高度一致，由蠕動(dòng)泵通過(guò)水管向溢流水箱供水使 溢流水箱形成溢水進(jìn)入土槽。通過(guò)溢流，形成較均勻的出流，用于模擬坡上地表來(lái)流這一水 文過(guò)程對(duì)污染物遷移轉(zhuǎn)化的影響。通過(guò)調(diào)節(jié)蠕動(dòng)泵流量來(lái)控制和調(diào)節(jié)坡上地表來(lái)流流量。
人工降雨裝置包括水源、輸水管10和將水源泵送到輸水管的水泵11 (潛水泵)，輸 水管10有部分通過(guò)支撐架13懸空布置在土槽I上端，輸水管10上設(shè)有若干噴頭12，噴頭 相對(duì)土槽表面均勻布置。所述支撐輸水管的支撐架13用鍍鋅鋼管制成且高度可調(diào)，或者輸 水管可以放置在支撐架不同高度上，以達(dá)到模擬天然降雨條件以及降雨的均勻度。同時(shí)在 土槽中間放置雨量筒來(lái)測(cè)定降雨強(qiáng)度，在輸水管上設(shè)有流量計(jì)，通過(guò)雨量筒并結(jié)合流量計(jì) 可以對(duì)潛水泵進(jìn)行控制以達(dá)到控制降雨強(qiáng)度的目的。
本發(fā)明人工降雨裝置的水源和坡上地表來(lái)流模擬裝置的水源為同一套水源裝置， 可以通過(guò)雨水收集器14進(jìn)行天然雨水的收集，也可以直接采用自來(lái)水。
土槽末端和側(cè)面圍板上設(shè)有若干地表徑流和壤中流取樣口，取樣口和紫色土之間 設(shè)有過(guò)濾用濾網(wǎng)(如紗布)，以防止泥沙堵塞。在土槽底板右下側(cè)上設(shè)有I個(gè)直徑3cm排水 口，排水口和紫色土之間也設(shè)有過(guò)濾用的紗布，以排除在降雨過(guò)程中壤中流以下土壤入滲水，達(dá)到極弱透水效果，同時(shí)起著通氣作用。在土槽末端同時(shí)設(shè)有地表徑流流量測(cè)量設(shè)備、 壤中流流量測(cè)量設(shè)備和污染物取樣口。在紫色土側(cè)面沿徑流方向也分別設(shè)有若干壤中流取樣口和地表徑流取樣口。壤中流取樣設(shè)備的取樣點(diǎn)在紫色土末端端面距土壤表層以下20cm 處和側(cè)面距土壤表層以下20cm處。上述各種設(shè)備用于收集降雨過(guò)程中各種水樣，分析污染物濃度的沿程變化。圖3、圖4和圖5反映了收集分析壤中流的情況和取樣點(diǎn)的設(shè)置。地表徑流取樣設(shè)備為土槽末端與土壤上端平齊的導(dǎo)流槽15，導(dǎo)流槽槽口逐漸收縮以方便取樣和測(cè)量流量。壤中流取樣設(shè)備可以為插入土壤中的開(kāi)口朝上的管子，即可將水引出。地表徑流流量測(cè)量設(shè)備和壤中流流量測(cè)量設(shè)備為流量計(jì)或檢測(cè)流量的傳感器。
本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、能耗低、成本低、占地面積小，適合于室內(nèi)研究，能將各因素的影響處于可控狀態(tài)。
下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
按圖I進(jìn)行本模擬裝置的構(gòu)建，其中土槽設(shè)計(jì)尺寸為ImXO. 5mXO. 5m(長(zhǎng)，寬， 高)。如圖3所示依次向土槽中填入IOcm砂巖、IOcm泥巖、以及過(guò)5毫米篩的30cm紫色土，供試紫色土取自重慶西南大學(xué)國(guó)家紫色土肥性研究基地，土壤為灰棕土系?；易刈仙疗拭姘l(fā)育淺，粘砂比例適中，耕層為粒狀結(jié)構(gòu)。土壤水分較好，保水力強(qiáng)，并有一定的回潤(rùn)性，是紫色土中抗旱力最強(qiáng)的。供試紫色土基本性質(zhì)為有機(jī)質(zhì)I. 21%，容重I. 36 g/cm3, PH值7. 2，全氮O. 078%,全磷O. 049%。土槽表面約5cm紫色土中均勻混入10. 39gKN0s以及3.23gKH2P04作為施肥用量，紫色土裝填高度與徑流出水口一致。通過(guò)千斤頂調(diào)節(jié)土槽坡度為15°，通過(guò)人工降雨裝置使土壤浸濕達(dá)到剛好飽和產(chǎn)流。向溢流水箱中填滿雨水，然后調(diào)試螺動(dòng)泵，控制其出水流量在200 ml/min。根據(jù)當(dāng)?shù)亟涤曩Y料中大暴雨的雨強(qiáng)水平,結(jié)合實(shí)驗(yàn)需求，設(shè)計(jì)雨強(qiáng)80mm/h。待一切準(zhǔn)備就緒之后，進(jìn)行降雨和坡上來(lái)流兩水文過(guò)程下紫色土坡耕地中N、P的遷移轉(zhuǎn)化模擬實(shí)驗(yàn)。
降雨以及降雨上方來(lái)流啟動(dòng)開(kāi)始后，記錄地表徑流、正面壤中流、側(cè)面壤中流開(kāi)始出水時(shí)間。坡面產(chǎn)流開(kāi)始后，每3min采集一次該時(shí)段內(nèi)的全部徑流泥沙樣，降雨歷時(shí)12min 后，每5min采集一次該時(shí)段內(nèi)的全部徑流泥沙樣。壤中流水文條件下，產(chǎn)流開(kāi)始后，每5 min采集一次該時(shí)段的全部徑流泥沙樣。收集的地表徑流樣品靜置3 h后，取上清液用于測(cè)定地表徑流相中的N、P含量(包括溶解態(tài)氮和懸浮顆粒態(tài)氮)，同時(shí)收集徑流沉積物，用于測(cè)定徑流中沉積物相N、P含量。壤中流的沉積物極少，僅測(cè)定水相N、P含量。將徑流水相分為兩部分，一部分直接用于TN、TP測(cè)定，另一部分經(jīng)O. 45um濾膜過(guò)濾后用于溶解態(tài)N、P測(cè)定。降雨結(jié)束后立即采集各徑流段的徑流濾100mL。濾液儲(chǔ)存在4°C的冰箱中，24 h后進(jìn)行分析。泥沙樣在55°C條件下烘干。同時(shí)在降雨過(guò)程中，收集100 200mL雨水用于測(cè)定背景值。
使用上述裝置可開(kāi)展降雨、坡上地表來(lái)流以及降雨和坡上地表來(lái)流的耦合這三種水文過(guò)程下紫色土坡耕地中N、P的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律的研究。
最后說(shuō)明的是，以上實(shí)施例僅用以說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管參照較佳實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的宗旨和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
權(quán)利要求
1.紫色土坡耕地污染物遷移轉(zhuǎn)化過(guò)程模擬裝置，其特征在于它包括填裝有紫色土的土槽(I)、人工降雨裝置和坡上地表來(lái)流模擬裝置；土槽由底板和四周圍板構(gòu)成，土槽傾斜放置使前端高、末端低；坡上地表來(lái)流模擬裝置包括水源、蠕動(dòng)泵(8 )和溢流水箱(9 )，溢流水箱(9)位于土槽(I)前端，紫色土填裝高度與溢流水箱出水口高度一致，由蠕動(dòng)泵向溢流水箱供水使溢流水箱形成溢水模擬坡上地表來(lái)流；人工降雨裝置包括水源、輸水管(10)和將水送到輸水管的水泵(11 )，輸水管(10 )有部分通過(guò)支撐架(13 )懸空布置在土槽(I)上端，輸水管(10)上設(shè)有若干噴頭(12)，噴頭相對(duì)土槽表面均勻布置；在土槽末端分別設(shè)有地表徑流流量測(cè)量設(shè)備、地表徑流取樣口、壤中流流量測(cè)量設(shè)備和壤中流取樣口 ；在紫色土側(cè)面沿徑流方向也分別設(shè)有若干地表徑流取樣口和壤中流取樣口，所有取樣口和紫色土之間設(shè)有過(guò)濾用濾網(wǎng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的紫色土坡耕地污染物遷移轉(zhuǎn)化過(guò)程模擬裝置，其特征在于所述土槽底板下設(shè)有傾角調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，傾角調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)包括固定支座(5)和千斤頂(6)，固定支座(5)通過(guò)轉(zhuǎn)軸(7)連接在土槽(I)底板一端，千斤頂(6)頂在土槽(I)底板另一端。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的紫色土坡耕地污染物遷移轉(zhuǎn)化過(guò)程模擬裝置，其特征在于在土槽底板上設(shè)有排水口，排水口和紫色土之間設(shè)有過(guò)濾用濾網(wǎng)。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的紫色土坡耕地污染物遷移轉(zhuǎn)化過(guò)程模擬裝置，其特征在于所述支撐輸水管的支撐架(13)高度可調(diào)。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的紫色土坡耕地污染物遷移轉(zhuǎn)化過(guò)程模擬裝置，其特征在于所述輸水管上設(shè)有流量計(jì)以控制降雨強(qiáng)度，并在土槽中間放置雨量筒來(lái)測(cè)定降雨強(qiáng)度。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種紫色土坡耕地污染物遷移轉(zhuǎn)化過(guò)程模擬裝置，它包括填裝有紫色土的傾斜放置的土槽、人工降雨裝置和坡上地表來(lái)流模擬裝置；坡上地表來(lái)流模擬裝置由蠕動(dòng)泵向溢流水箱供水使溢流水箱形成溢水模擬坡上地表來(lái)流；人工降雨裝置的輸水管上設(shè)有若干噴頭，噴頭相對(duì)土槽表面均勻布置；在土槽末端和紫色土側(cè)面設(shè)有若干地表徑流取樣口和壤中流取樣口。本裝置可模擬降雨、坡上來(lái)流、以及降雨和坡上來(lái)流的耦合，通過(guò)調(diào)節(jié)各因素，研究多種水文過(guò)程對(duì)紫色土坡耕地污染物遷移轉(zhuǎn)化的時(shí)空分布特性，用于揭示紫色土坡耕地地表徑流和壤中流與污染物遷移轉(zhuǎn)化相互作用的機(jī)制。
文檔編號(hào)G01N33/24GK102980988SQ20121047814
公開(kāi)日2013年3月20日 申請(qǐng)日期2012年11月22日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月22日
發(fā)明者龍?zhí)煊? 劉佳, 趙廣, 曹懷亮, 肖星, 安強(qiáng), 傘磊, 杜坤 申請(qǐng)人:重慶大學(xué)